울산과학기술원(UNIST)이 반도체 회로 선폭 감소로 발생하는 '전기 동맥경화' 현상을 해결할 차세대 배선 소재 기술을 개발했다.

김수현 UNIST 반도체소재부품대학원 교수팀은 차세대 반도체 배선 소재인 루테늄의 새로운 원료 물질과 이를 적용한 원자층 증착 공정(atomic layer deposition, ALD)을 개발했다고 18일 밝혔다.

금속 배선은 반도체 칩 내 수억 개 트랜지스터에 전력을 공급하고 신호를 전달하는 핵심 구조다. 현재 사용되는 구리 배선은 공정 미세화로 선폭이 줄어들면 박막의 전기저항이 급격히 높아져 전류 흐름이 악화되고 칩 성능이 저하되는 문제가 있다.

반면, 루테늄은 선폭 감소에도 저항 증가가 완만해 차세대 배선 소재로 평가받고 있으며 구리와 달리 확산 방지층이 불필요해 구조를 단순화할 수 있다.

연구팀이 개발한 원료 물질은 400℃의 고온에서도 분해되지 않아 고품질 루테늄 배선 형성이 가능하다. 기존 루테늄 원료 물질은 높은 공정 온도에서 분해되는 한계가 있었다.

이 원료 물질로 증착된 루테늄 박막은 열처리 없이도 이상적인 저항률에 근접한 10.6 μΩ·㎝의 낮은 저항률을 나타냈다. 단차 피복성은 95% 이상으로, 3D 낸드(NAND) 같은 좁고 깊은 반도체 구조에도 박막을 균일하게 증착할 수 있다.

이 원료 물질은 배선이 필요한 부분에만 선택적으로 증착되고, 절연체 위에는 달라붙지 않기 때문에 별도 식각 공정이 불필요해 공정 비용과 시간을 줄일 수 있다. 1회 공정에 0.13nm(1.28 A) 두께의 루테늄 박막을 제작했으며 이는 기존 대비 약 2배 빠른 속도다.

김수현 교수는 "반도체 소자의 고집적화로 배선 공정 난도가 기하급수적으로 높아지는 상황에서 미세 선폭의 저항 감소와 3D 구조의 증착 균일성, 빠른 증착 속도를 동시에 확보했다는 데 의미가 있다"며 "차세대 로직 및 메모리 반도체 양산 공정의 수율과 성능 경쟁력을 높이는 데 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 UNIST와 일본 귀금속 소재 회사인 다나까 귀금속(TANAKA PRECIOUS METAL TECHNOLOGIES Co., Ltd.)의 국제 공동 연구로 진행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 11월 23일 온라인 게재됐다. 연구는 산업통상자원부(MOTIE) 기술 혁신 사업 지원으로 이뤄졌다.